Ein Mitarbeiter arbeitet an einem EUV-Beleuchtungssystem der ZEISS SMT
EUV-Lithographie

EUV-Lithographie-Optiken von ZEISS

Neues Licht für die Digitalisierung

EUV-Lithographie von ZEISS SMT: Digitalisierung macht autonomes Fahren möglich

Das Licht der Zukunft

1970 haben auf einem Mikrochip etwa 1.000 Transistoren Platz gefunden, heute sind es 57 Milliarden (Halbleiter-)Bauelemente auf einer Fläche, nur etwas größer als eine Fingerkuppe – mit Strukturen, 5.000-mal feiner als ein menschliches Haar und hergestellt mit Licht mit der extrem kurzen Wellenlänge von 13,5 Nanometern. Dafür kommen in der Fertigung EUV-Lithographie-Optiken von ZEISS SMT zum Einsatz (kein Vertrieb in Deutschland). Die EUV-Technologie verschiebt die Grenzen des technologisch Machbaren. Für den nächsten Technologiesprung. Für Zukunftstrends wie Autonomes Fahren, Künstliche Intelligenz und 5G. Für ein digitalisiertes Leben und Arbeiten. 

Kleiner, leistungsfähiger, energieeffizienter

Transistoren sind die entscheidende Komponente bei der Herstellung von Mikrochips: Je mehr dieser Schalteinheiten in einem Computerchip Platz finden, desto leistungsfähiger ist ein Prozessor. Und die Entwicklung ist rasant: Intel-Mitbegründer Gordon Moore stellte 1965 das nach ihm benannte Gesetz auf, wonach sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppelt. Eine Herausforderung, der sich ZEISS SMT seit mehr als 50 Jahren stellt – mit Erfolg. Zuletzt gelang 2019 gemeinsam mit dem strategischen Partner ASML, TRUMPF, dem Fraunhofer Institut IOF und weiteren rund 1.200 Partnern ein weiterer Technologiesprung, mit dem Moore‘s Gesetz fortgeschrieben wird: Die EUV-Lithographie. Diese wurde von Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier 2020 mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet.

Deutscher Zukunftspreis für die EUV-Lithographie

Gemeinsam mit TRUMPF und dem Fraunhofer Institut IOF wurden wir 2020 ausgezeichnet

  • Quelle: ZDF
Infografik zum Lichtspektrum von sichtbarem Licht bis zu extrem kurzen Wellenlängen
Infografik zum Lichtspektrum von sichtbarem Licht bis zu extrem kurzen Wellenlängen

Kürzer, präziser, feiner

EUV steht für „extreme ultraviolet“, also extrem ultraviolettes Licht. Das für Menschen sichtbare Licht hat Wellenlängen zwischen 400 und 800 Nanometern. Der Bereich von ultraviolettem Licht beginnt unterhalb von 400 Nanometern. Das bisher führende Lithographie-Verfahren mittels „deep ultraviolet light“ (DUV) arbeitet mit 193 Nanometern Wellenlänge. Damit sind Strukturen mit Abmessungen von 40 Nanometern möglich. Bei der EUV-Lithographie kommt Licht mit einer extrem kurzen Wellenlänge von 13,5 Nanometern zum Einsatz – und ermöglicht so Strukturen mit Abmessungen von weniger als 20 Nanometern.

Der stärkste gepulste Industrielaser der Welt

Um Licht mit dieser Wellenlänge herzustellen, braucht es eine besondere Lichtquelle: Zunächst einmal ist das ein Hochleistungs-CO2-Laser von TRUMPF. Mit 30 Kilowatt Leistung – etwa doppelt so viel, wie klassische Industrielaser, die zentimeterdicken Stahl durchschneiden – ist es der stärkste gepulste Industrielaser weltweit. Doch der Laser selbst produziert noch kein extrem ultraviolettes Licht.

 

Sichtbare EUV-Strahlung in Form eines Lasers

So entsteht extrem ultraviolettes Licht

Um EUV-Licht zu erzeugen, haben ASML und TRUMPF eine einzigartige Lichtquelle konstruiert: In einer von ASML entwickelten Plasmaquelle werden 50.000 Zinntropfen pro Sekunde in ein Hochvakuum geschossen und dabei jeweils von zwei aufeinanderfolgenden Pulsen eines Hochleistungs-CO2-Lasers von TRUMPF getroffen. Der sogenannte Vorpuls trifft die Zinntropfen, sodass diese quasi aufquellen. Der hinterhereilende Hauptpuls trifft nun den Tropfen mit voller Leistung. Dadurch wird das Zinnplasma gezündet, welches die EUV-Strahlung abgibt. Damit EUV-Licht erzeugt werden kann, muss das Plasma eine Temperatur von fast 220.000 Grad Celsius erreichen. Das ist fast 40-mal heißer als die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Sonne.

Mitarbeiter im Reinraum prüft EUV-Lithographie-Optiken

Optiken mit extremer Präzision

Weil ultraviolettes Licht von allen Materialien – auch Luft – absorbiert wird, hat ZEISS SMT für die EUV-Lithographie-Maschine ein optisches System geschaffen, das im Hochvakuum betrieben wird und aus gekrümmten Spiegeln aufgebaut ist. Selbst kleinste Unregelmäßigkeiten führen zu Abbildungsfehlern. Deswegen wurde für die EUV-Lithographie der weltweit präziseste Spiegel mit einer Multilagenbeschichtung entwickelt (sogenannte Bragg-Spiegel). Würde man einen solchen Spiegel auf die Größe Deutschlands vergrößern, wäre die größte Unebenheit – also sozusagen die Zugspitze – ganze 0,1 Millimeter hoch.

Außergewöhnliche Beschichtung

Auf die Glasoberfläche werden extrem dünne Silizium- und Molybdän-Schichten aufgedampft – nur wenige Atomlagen stark. Dafür liegen hier bis zu 100 Schichten übereinander. Eine einzelne Schicht würde nur gut ein Prozent des Lichts reflektieren – der Verlust wäre viel zu groß. Um die Effizienz der Spiegel zu steigern hat ZEISS SMT gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut IOF ein einzigartiges Schichtsystem entwickelt, das Präzision auf Atombasis erfordert. Die Schichtdicken sind nur wenige Nanometer dünn. Das Ergebnis ist eine Reflektivität, die bis zu 70 Prozent des Lichts nutzbar macht. Dies passiert durch konstruktive Interferenz: Das EUV-Licht wird jeweils von einzelnen Schichten reflektiert. Wenn diese präzise übereinander aufgetragen sind, verstärkt sich das Licht, weil sich die einzelnen Strahlungswellen perfekt überlagern.

 

 

Laserstrahl trifft Tischtennisball auf dem Mond mithilfe eines EUV-Spiegels

Präzision bis zum Mond

Weil die Spiegel während des Belichtungsvorgangs so stabil wie möglich in ihrer Position gehalten werden müssen, war für maximale Kippstabilität ein völlig neues mechatronisches Konzept erforderlich. Dessen Ergebnis spricht für sich: Würde ein Laserstrahl über einen dieser EUV-Spiegel umgelenkt und auf den Mond gerichtet, könnte man damit einen Golfball auf der Mondoberfläche treffen.

EUV-Lithografie Prozess wird abgebildet als umgedrehter Diaprojektor

Der Lithographie-Prozess: Wie ein Diaprojektor

Wie bei einem Diaprojektor passiert das Licht die Photomaske, auf der sich der Bauplan – das Template – befindet; anstelle von einer Vergrößerung kommt es hier eben zu einer Verkleinerung. Die Strukturen werden so auf dem mit einem lichtempfindlichen Photolack beschichteten Wafer abgebildet. Im nächsten Schritt werden die belichteten Teile weggeätzt, die freien Bereiche mit Kupfer aufgefüllt und der Wafer poliert. Dann wird eine neue Siliziumschicht und wiederum Photolack aufgetragen – und der Lithographie-Prozess beginnt von vorne. Das wiederholt sich bis zu 100 Mal. Am Ende wird der prozessierte Wafer dann in viele kleine Stücke geschnitten. Fertig sind die Mikrochips.

Wie Mikrochips hergestellt werden – mit Optiken von ZEISS

EUV High-NA

Der nächste Technologiesprung in Sicht

EUV High-NA Spiegel der ZEISS SMT im Rahmen der EUV-Lithographie

Größere Winkel, noch mehr Leistung

Eine neue Generation entsteht

ZEISS SMT entwickelt sogenannte High-NA-EUV-Optiken mit einem größeren Öffnungswinkel (NA = Numerische Apertur). Die Auflösung wird damit nochmals deutlich verbessert – und die Transistordichte auf Mikrochips steigt um den Faktor drei. Damit wird Moore's Law weiter fortgeschrieben.

Übergabe des Deutschen Zukunftspreises 2020 von Bundeskanzler Frank-Walter Steinmeier an das ZEISS SMT-Team für die EUV-Lithographie
Ein europäisches Gemeinschaftsprojekt

Deutscher Zukunftspreis 2020

25 Jahre Forschung und Entwicklung: Die Ausdauer hat sich gelohnt. 2020 wurden ZEISS SMT, TRUMPF und das Fraunhofer Institut IOF für die EUV-Technologie von Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier mit dem Deutschen Zukunftspreis geehrt.

EUV-Technologie-Highlights

EUV-Lithographie-Optiken von ZEISS SMT: Kein Vertrieb in Deutschland

  • Das optische EUV-System der SMT besteht aus einem Beleuchtungssystem

    Beleuchtungssystem

    Das optische EUV-System von ZEISS SMT besteht zum einen aus dem Beleuchtungssystem. Darin wird das EUV-Licht aus der Quelle in die passende Ausleuchtung für die Strukturen auf der Maske umgewandelt. Es besteht aus 15.000 Einzelteilen mit einem Gewicht von 1,5 Tonnen.

  • Projektionsoptik ist ein Teil der optischen EUV-Systeme der ZEISS SMT

    Projektionsoptik

    Das optische EUV-System besteht zum anderen aus der Projektionsoptik – mit sechs Spiegeln. Diese sind die weltweit präzisesten Spiegel, um die Maskenstrukturen im Nanometerbereich auf den mit Photolack beschichteten Wafer abzubilden. Hierfür sind rund 20.000 Einzelteile mit einem Gewicht von 2 Tonnen nötig.

  • Messtechnik bei ZEISS SMT

    Messtechnik

    Für die große numerische Apertur der High-NA-Optiken braucht es größere Spiegeloberflächen mit noch extremeren Krümmungen und dafür noch mehr Präzision. ZEISS SMT setzt mit den speziell für die Fertigung der High-NA-Optiken entwickelten Messmaschinen neue Maßstäbe für die Messtechnik.

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